“질소의 26%가 바위 속에 있어”

과학기술

“질소의 26%가 바위 속에 있어”
‘미스테리 질소'의 비밀 드러나

2018.04.09 09:50 심재율 객원기자

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공기 중에 부피 백분율로 78.09%를 차지하는 것은 질소(N)이다. 질량 백분율도 75.54%나 되는 질소는 우주에서 여섯 번째로 많은 원소이기도 하다.

질소는 질산나트륨이나 암모니아 같은 단순한 화합물은 물론이고 단백질이나 핵산등 복잡한 화합물에도 발견된다. 농작물을 기르는데 중요한 비료의 기본 요소이기도 하다.

이 질소는 주로 공기 중에 존재한다고 알려져 왔다. 물론 해수나 암석 등에 존재한다고는 하지만, 그 양이 크지 않다고 생각해왔다.

그러나 과학자들은 지구 암석에 엄청난 양의 질소가 숨어있다는 사실을 발견하고 ‘잃어버린 질소를 찾았다’고 설명했다. 이들은 ‘교과서를 다시 써야 한다’면서 수백 년 된 고정관념의 변화를 주장했다.

미국 캘리포니아 대학교 데이비스 캠퍼스(UC Davis) 연구팀은 최대 26%의 질소는 바위에서 나온다고 지난 6일 ‘사이언스’(Science)에 발표했다.

바위 산 ⓒPixabay

이번 연구 이전에는 토지에 투입되는 질소가 어디에서 오는지 정확히 알려지지 않았다. 질소가 암석에 다량 숨어있다는 이번 발견은 현재 탄소 사이클의 이해에 바탕을 두고 계산하는 기후변화 예측을 크게 개선할 수 있다.

논문의 공동 주저자인 벤 훌턴(Ben Houlton) UC 데이비스의 토지 공기 및 수자원학과 교수이며 UC데이비스 ‘뮤어연구소’(Muir Institute) 소장은 “우리들의 연구는 질소 풍화작용이 세계적으로 토양과 생태계의 매우 중요한 질소의 근원임을 보여준다”고 말했다.

훌턴 교수는 “이번 발견은 환경과학의 기초를 이뤘던 수세기 된 패러다임을 정면으로 바꾸는 것이다.”고 덧붙였다.

이번 논문은 지금까지 잃어버린 것으로 생각했던 질소가 어디에 있었는지를 잘 설명해준다.

논문의 공동 주저자인 스코트 모포드(Scott Morford) UC 데이비스의 대학원생은 “수십 년 동안 과학자들은 대기에 있는 것 보다 더 많은 질소가 토양과 나무에 축적되는 것을 알고 있었지만, 어디에서 빠졌는지는 정확히 짚어 낼 수 없었다.”고 말했다.

모포드는 “바위에 충분한 질소가 있으며, 이것이 바로 이 사라진 갭을 설명해준다”고 말했다.

연구팀은 이전에도 북부 캘리포니아의 클래머스 산맥(Klamath Mountains)에서 수집한 고대 바위의 샘플을 분석했다. 연구팀은 클래머스 산맥의 바위와 주변 나무들이 많은 양의 질소를 가지고 있는 것을 발견했다. 과학자들은 클래머스 산맥 바위 연구를 바탕으로, 글로벌 규모에서 바위가 질소를 얼마나 잡아둘 수 있는지 측정했다.

연구팀은 식물의 질소 균형, 지구화학적 모형, 공간적 풍화모델 등의 방법을 동원해서 추정한 결과 지표면 가까운 바위에서 발생하는 질소가 매년 19~31 테라그램(teragram)에 이른다고 발표했다. 이중 약 11~18 테라그램의 질소는 화학적 풍화작용에서 나와, 자연적인 질소 균형을 8~26% 증가시킨다.

그렇지만, 과학자들은 이번 발견이 농작물을 기르기 위해 자연 질소나 인공 질소에 주로 의지하는 농부나 원예가들에게 즉각적으로 영향을 미치지는 않는다고 말했다.

“과학교과서, 다시 써야 한다”

미국 국립과학재단(NSF)의 환경생물학분야 프로그램 국장인 켄드라 맥로클란(Kendra McLauchlan)은 “이번 연구결과는 교과서를 다시 써야한다는 요구가 나오게 할 것“이라고 말했다. 식물이 바위에서 나온 질소를 사용할 수 있다는 암시는 있었지만, 이번 발견은 사용가능한 질소의 최종 근원은 대기라는 생각을 깨뜨리는 것이라고 말했다.

토양 샘플을 채취하고 있는 스코트 모포드 ⓒ Scott L. Morford/UC Davis)

질소는 지구에서 가장 중요한 성분이면서 위험한 오염원이므로, 질소의 공급과 수요에 대한 자연의 통제를 이해하는 것은 중요하다. 인간은 농업생산을 늘리는데 필요한 많은 비료를 생산하기 위해서 공기 중의 질소에 의지하고 있다.

질소는 지구에서 식물이 자라는 것을 통제하는 중요한 수단이므로, 탄소 사이클과 기후변화에 영향을 미치는 중요한 요소이다.

생태계는 이산화탄소 오염을 흡수하기 위해서는 질소와 다른 요소들이 필요하다. 나무와 토양에서 얻을 수 있는 질소의 양은 제한이 있다. 만약 많은 양의 질소가 바위에서 나온다면, 북쪽 수림대와 같은 자연적인 생태계가 어떻게 이산화탄소의 높은 수준을 유지할 수 있는지를 설명이 가능하다.

그러나 아무 바위나 질소를 낼 수 있는 것은 아니다. 바위에서 질소를 내는 능력은 풍화작용에 의해 결정된다. 풍화작용은 지반운동같이 물리적일 수 있으며, 광물이 빗물에 반응할 때와 같은 화학적인 작용일 수 있다.

이것이 어째서 암석의 질소 풍화작용이 지역과 풍경에 따라 달라지는지를 설명해준다. 아프리카의 넓은 지역은 질소가 풍부한 바위가 전혀 없는데 비해, 북위 지역에서는 암석의 질소 풍화작용이 높은 수준을 유지하고 있다.

히말라야 산맥이나 안데스 산맥지역은 암석의 질소 풍화작용의 중요한 근원으로 추정되는데, 이는 이 지역이 글로벌 풍화작용과 기후에서 차지하는 중요성을 반영하고 있다. 초지와 툰드라 사막 및 숲 지대 역시 암석의 질소 풍화 작용의 중요한 비율을 차지한다.

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